UNIVERSIDAD NACIONAL DEL SANTA E.A.P. INGENIERÍA EN ENERGÍA INFLUENCIA HUMANA EN LOS ECOSISTEMA

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1 UNIVERSIDAD NACIONAL DEL SANTA E.A.P. INGENIERÍA EN ENERGÍA INFLUENCIA HUMANA EN LOS ECOSISTEMA 1 Mg. AMANCIO ROJAS FLORES

2 Ecosistema Ecosistema se define como la comunidad de organismos (biocenosis) y su medio (biotopo), que interactúan como unidad ecológica en un espacio y tiempo determinados. Los límites de un ecosistema no son muy claros, no existe un ecosistema que sea mente estático. Biocenosis Biotopo Biocenosis Comunidad de organismos como plantas, animales, hongos, etc. Una comunidad se integra de un conjunto de poblaciones que interactúan en un mismo hábitat Biotopo Energía solar Agua Aire Sustrato 2

3 La Tierra comprende una gran cantidad de ecosistemas que albergan a su vez a millones de organismos, los cuales interactúan entre sí y con los elementos físicos que los rodean. Cuando se observa la imagen de la Tierra desde el espacio, se valora toda su magnitud y belleza. Pero cuando la estudiamos más de cerca, se detectan un conjunto de problemas que afectan el equilibrio y desarrollo de sus ecosistemas. La gran mayoría de los problemas tiene su origen en la actividad humana. Si queremos conservar la magnitud y belleza de nuestro planeta, debemos aprender a respetar los ecosistemas que lo forman. Existe una relación inherente y compleja entre los componentes de un ecosistema, ya que se relacionan mutuamente mediante las corrientes de energía y los ciclos alimentarios 3

4 Flujos de materia y energía La energía se define como la capacidad que tiene cualquier agente de realizar un trabajo. En un ecosistema ocurre el flujo de energía, que corresponde a la energía que se va transportando desde los organismos fotosintéticos-productoreshacia los demás organismos. En las cadenas alimentarias se observa cómo pasan la materia y la energía de un ser vivo a otro; se muestra cómo los seres vivos dependen unos de otros y se identifican Todos los organismos utilizan la energía que obtienen de su alimentación, por medio de la respiración, para realizar sus funciones vitales (crecimiento, renovación de tejidos, reproducción, elaboración de sustancias de reserva y movimiento en algunos organismos). 4

5 Ciclos biogeoquímicos Los impactos ejercidos sobre el ambiente natural se han acrecentado de manera significativa en las últimas cuatro décadas. Algunas de las transformaciones que ha sufrido el medio ambiente son de carácter irreversible; estos efectos adversos rompen las fronteras, por lo que una problemática ambiental no se limita a una localidad en particular. Los problemas ambientales afectan al planeta entero, como lo demuestran los cambios atmosféricos y la contaminación en mares y océanos, así como la pérdida de la biodiversidad. Los elementos interconectados de alguna manera afectan el aire, el agua, el suelo y las formas vivientes en la Tierra, haciendo ya no un problema local, sino global. Este tema te permitirá analizar y reflexionar sobre la importancia de los ciclos biogeoquírnicos que realizan sus funciones sin que nosotros, a simple vista, nos percatemos 5

6 Así, la contaminación ambiental causa desequilibrios en los ciclos naturales, dando como resultado que las sustancias contaminantes se integren a las cadenas tróficas, y de esa forma sean llevadas o acumuladas en distintos lugares donde no son requeridas, de tal forma que un elemento o sustancia, tóxico o no, puede pasar de un ambiente a otro, de un organismo a otro y retornar al ambiente o a otro organismo, alterando sin duda el medio ambiente en general y contribuyendo de manera directa al deterioro de la calidad de vida. 6

7 Todos los seres vivos estamos constituidos por materia organizada en distintos niveles de complejidad, desde las estructuras más simples como el átomo y las moléculas, hasta los órganos y tejidos. La unidad fundamental de la materia es el átomo. Cuando dos o más de ellos se unen, forman una molécula. En el caso de los organismos vivos, a las moléculas que los constituyen se les llama biomoléculas. Éstas pueden ser orgánicas, como los glúcidos, lípidos, proteínas y ácidos nucleicos, o inorgánicas, como el agua y las sales minerales. Existen biomoléculas formadas por átomos necesarios para todo ser vivo; a estos elementos se les conoce como bíoelementos. 7

8 Los bíoelementos se dividen de la siguiente manera de acuerdo con su importancia para el funcionamiento de un organismo vivo: Principales o primarios: llamados así porque los organismos los necesitan en mayores cantidades para poder subsistir; éstos son carbono (C), hidrógeno (H), oxígeno (0) y nitrógeno (N). Secundarios: estos elementos son igualmente importantes, pero las cantidades requeridas son menores; entre ellos se encuentran: azufre (S), fósforo (P), magnesio (Mg), calcio (Ca), sodio (Na), potasio (K) y cloro (Cl). Oligoelementos: constituidos por el hierro (Fe), zinc (Zn), boro (B), manganeso (Mn), flúor (F), cobre (Cu), cromo (Cr), selenio (Se), cobalto (Co), molibdeno (Mo) y estaño (Sn). 8

9 Estos elementos son utilizados por los organismos para organizar sus propias biomoléculas y realizar distintas funciones. Los organismos obtienen esta materia para el funcionamiento en su medio, y posteriormente ésta es devuelta al medio ambiente y puede pasar a otro organismo, es decir, la materia circula por todo el ambiente. Existe una movilidad como si el viaje fuera en un circuito cerrado sin salida. La materia viaja por los ecosistemas en forma cíclica, cumpliendo de esta manera distintas funciones, dependiendo del lugar donde se encuentre localizada. A este recorrido dinámico se le conoce como cicl o biogeoquímico. 9

10 Los enormes ciclos biogeoquímicos hacen posible que estos elementos se encuentren disponibles para emplearse una y otra vez, transformándolos y recirculándolos a través de la atmósfera, la hidrosfera, litosfera y biosfera. Los ciclos biogeoquímicos son llamados así por las siguientes razones y categorías: La primera categoría es biológica, porque participan diversos organismos animales, vegetales, y sobre todo microorganismos. La segunda categoría es la geológica, donde se incluyen factores abióticos representados por el suelo, el aire y el agua. La categoría química, de gran importancia, sucede cuando algún elemento quimico sufre una transformación o reacción dentro de las rutas por donde circula. 10

11 Los ciclos biogeoquímicos no ocurren como fenómenos aislados, sino que tienen una estrecha relación con el ciclo del agua, indispensable para el intercambio de elementos en la dinámica que se da en los distintos ciclos con los que se interactúa en la Tierra. Los ciclos biogeoquímicos pueden dividirse en dos tipos básicos: los ciclos de nutrientes gaseosos o atmosféricos (ciclo del agua, ciclo del carbono y ciclo del nitrógeno) y los ciclos de nutrientes sedimentarios (ciclo del fósforo y ciclo del azufre). Sin embargo, el ciclo del azufre se considera dentro del tipo híbrido, puesto que circula en la atmósfera y en el sedimento. 11

12 CICLO HIDROLOGICO La hidrología es la ciencia que estudia la distribución del agua en la Tierra, sus reacciones físicas y químicas con otras sustancias existentes en la naturaleza, y su relación con la vida en el planeta. El movimiento continuo de agua entre la Tierra y la atmósfera se conoce como ciclo hidrológico. Se produce vapor de agua por evaporación en la superficie terrestre y en las masas de agua, y por transpiración de los seres vivos. Este vapor circula por la atmósfera y precipita en forma de lluvia o nieve. 12

13 Al llegar a la superficie terrestre, el agua sigue dos trayectorias. En cantidades determinadas por la intensidad de la lluvia, así como por la porosidad, permeabilidad, grosor y humedad previa del suelo, una parte del agua se vierte directamente en los riachuelos y arroyos, de donde pasa a los océanos y a las masas de agua continentales; el resto se infiltra en el suelo. Una parte del agua infiltrada constituye la humedad del suelo, y puede evaporarse directamente o penetrar en las raíces de las plantas para ser transpirada por las hojas. La porción de agua que supera las fuerzas de cohesión y adhesión del suelo, se filtra hacia abajo y se acumula en la llamada zona de saturación para formar un depósito de agua subterránea, cuya superficie se conoce como nivel freático. En condiciones normales, el nivel freático crece de forma intermitente según se va rellenando o recargando, y luego declina como consecuencia del drenaje continuo en desagües naturales como son los manantiales. 13

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15 CICLO DEL CARBONO El ciclo básico comienza cuando las plantas, a través de la fotosíntesis, hacen uso del dióxido de carbono (CO 2 ) presente en la atmósfera o disuelto en el agua. Parte de este carbono pasa a formar parte de los tejidos vegetales en forma de hidratos de carbono, grasas y proteínas; el resto es devuelto a la atmósfera o al agua mediante la respiración. Así, el carbono pasa a los herbívoros que comen las plantas y de ese modo utilizan, reorganizan y degradan los compuestos de carbono. Gran parte de éste es liberado en forma de CO 2 por la respiración, como producto secundario del metabolismo, pero parte se almacena en los tejidos animales y pasa a los carnívoros, que se alimentan de los herbívoros. En última instancia, todos los compuestos del carbono se degradan por descomposición, y el carbono es liberado en forma de CO 2, que es utilizado de nuevo por las plantas. 15

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17 CICLO DEL NITROGENO Ciclo del nitrógeno, proceso cíclico natural en el curso del cual el nitrógeno se incorpora al suelo y pasa a formar parte de los organismos vivos antes de regresar a la atmósfera. El nitrógeno, una parte esencial de los aminoácidos, es un elemento básico de la vida. Se encuentra en una proporción del 79% en la atmósfera, pero el nitrógeno gaseoso debe ser transformado en una forma químicamente utilizable antes de poder ser usado por los organismos vivos. Esto se logra a través del ciclo del nitrógeno, en el que el nitrógeno gaseoso es transformado en amoníaco o nitratos. 17

18 La energía aportada por los rayos solares y la radiación cósmica sirven para combinar el nitrógeno y el oxígeno gaseosos en nitratos, que son arrastrados a la superficie terrestre por las precipitaciones. La fijación biológica, responsable de la mayor parte del proceso de conversión del nitrógeno, se produce por la acción de bacterias libres fijadoras del nitrógeno, bacterias simbióticas que viven en las raíces de las plantas (sobre todo leguminosas y alisos), cianobacterias, ciertos líquenes y epifitas de los bosques tropicales. El nitrógeno fijado en forma de amoníaco y nitratos es absorbido directamente por las plantas e incorporado a sus tejidos en forma de proteínas vegetales. 18

19 Después, el nitrógeno recorre la cadena alimentaria desde las plantas a los herbívoros, y de estos a los carnívoros. Cuando las plantas y los animales mueren, los compuestos nitrogenados se descomponen produciendo amoníaco, un proceso llamado amonificación. Parte de este amoníaco es recuperado por las plantas; el resto se disuelve en el agua o permanece en el suelo, donde los microorganismos lo convierten en nitratos o nitritos en un proceso llamado nitrificación. Los nitratos pueden almacenarse en el humus en descomposición o desaparecer del suelo por lixiviación, siendo arrastrado a los arroyos y los lagos. Otra posibilidad es convertirse en nitrógeno mediante la desnitrificación y volver a la atmósfera. 19

20 En los sistemas naturales, el nitrógeno que se pierde por desnitrificación, lixiviación, erosión y procesos similares es reemplazado por el proceso de fijación y otras fuentes de nitrógeno. La interferencia antrópica (humana) en el ciclo del nitrógeno puede, no obstante, hacer que haya menos nitrógeno en el ciclo, o que se produzca una sobrecarga en el sistema. Por ejemplo, los cultivos intensivos, su recogida y la tala de bosques han causado un descenso del contenido de nitrógeno en el suelo (algunas de las pérdidas en los territorios agrícolas sólo pueden restituirse por medio de fertilizantes nitrogenados artificiales, que suponen un gran gasto energético). 20

21 Por otra parte, la lixiviación del nitrógeno de las tierras de cultivo demasiado fertilizadas, la tala indiscriminada de bosques, los residuos animales y las aguas residuales han añadido demasiado nitrógeno a los ecosistemas acuáticos, produciendo un descenso en la calidad del agua y estimulando un crecimiento excesivo de las algas. Además, el dióxido de nitrógeno vertido en la atmósfera por los escapes de los automóviles y las centrales térmicas se descompone y reacciona con otros contaminantes atmosféricos dando origen al smog fotoquímico. 21

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23 CICLO DEL FOSFORO Ciclo del fósforo, circulación a través de los ecosistemas, del fósforo, un elemento esencial para la célula, ya que forma parte de los ácidos nucleicos, de moléculas que almacenan energía química como el ATP, y de moléculas como los fosfolípidos que forman las membranas celulares. El fósforo se encuentra en la naturaleza principalmente en forma de rocas fosfáticas y apatito. A partir de estas rocas, y debido a procesos de meteorización, el fósforo se transforma en ion fosfato y queda disponible para que pueda ser absorbido por los vegetales. A partir de las plantas, el fósforo pasa a los animales, volviendo de nuevo al medio tras la muerte de éstos y de los vegetales, así como por la eliminación continua de fosfatos en los excrementos. 23

24 Un caso especial lo constituyen los excrementos de las aves, que en zonas donde son particularmente abundantes forman auténticos yacimientos de fósforo, conocidos como guano. El fósforo proveniente de las rocas puede ser también arrastrado por las aguas, llegando a los océanos. Parte de este fósforo puede sedimentar en el fondo del mar formando grandes acúmulos que, en muchos casos, constituyen reservas que resultan inaccesibles, ya que tardarán millones de años en volver a emerger y liberar estas sales de fósforo, generalmente gracias a movimientos orogénicos. Pero no todo el fósforo que es arrastrado hasta el mar queda inmovilizado, ya que parte es absorbido por el fitoplancton, pasando a través de la cadena alimentaria hasta los peces, que posteriormente son ingeridos por los seres humanos o constituyen la fuente de alimento de numerosas aves. 24

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26 CICLO DEL AZUFRE Ciclo del azufre, circuito que recorre el azufre a través de los ecosistemas, desde el medio físico a los organismos y de éstos, de nuevo, al medio natural. El azufre del planeta se encuentra en forma de minerales, tanto de sulfato (sobre todo yeso y sulfato cálcico) como de sulfuro (especialmente pirita y sulfuro de hierro); sin embargo, el principal reservorio de azufre de la biosfera lo constituye el mar (en forma de sulfato inorgánico). El sulfato puede ser metabolizado por las plantas superiores y por microorganismos, en lo que se denomina reducción asimiladora de los sulfatos. Bacterias, levaduras, hongos y algas son capaces de utilizar los sulfatos como fuente de azufre, y producir sulfuro de hidrógeno (H 2 S). Las bacterias reductoras de sulfato realizan esta transformación en un medio anaerobio. En los lugares donde ocurre este proceso aparecen sedimentos y fangos de color negro, debido al sulfuro de hidrógeno, que les confiere ese color. 26

27 Las plantas superiores absorben sulfatos por las raíces, incorporándolos directamente en los compuestos orgánicos o manteniéndolo en forma libre como ión, interviniendo en la regulación osmótica celular. Las plantas también pueden oxidar y reducir los sulfatos para incorporar el azufre a otros compuestos orgánicos (aminoácidos como la cisteína o la metionina). Así mismo, las plantas superiores absorben por las hojas el SO 2 atmosférico que proviene de las emisiones, de origen antrópico, de óxidos de azufre procedentes de procesos de combustión y, en menor medida, de procesos naturales a través de la emisión de diversos gases sulfurados por volcanes, géiseres y fumarolas. Por otra parte, la reducción no asimiladora del sulfato es un proceso de transformación de éste a iones sulfuro, cuya finalidad es el suministro de energía a las células; es llevada a cabo por ciertas bacterias anaerobias, por ejemplo del género Desulfovibrio. 27

28 Los compuestos orgánicos generados (algunos esenciales para los animales como la metionina) pasan a los animales a través de la cadena alimentaria, ya que no pueden ser sintetizados por ellos mismos. Continuando el ciclo, los procesos de descomposición de animales y plantas por parte de los microorganismos generan sulfuro de hidrógeno. Éste puede ser oxidado por bacterias oxidadoras de sulfuro, catalizando su oxidación a azufre elemental, inorgánico, tanto en medios aerobios como anaerobios. Pero también el sulfuro puede ser transformado por la acción microbiana en dimetilsulfuro, que se difunde a la atmósfera. 28

29 Por último, la oxidación de azufre elemental también puede ser realizada por bacterias oxidadoras del azufre, sobre todo del género Thiobacillus, originando iones sulfato e hidrógeno, cerrando así el ciclo. La fase sedimentaria del ciclo, correspondiente a la precipitación del azufre, puede producirse bajo condiciones anaerobias y en presencia de hierro, a partir de sulfuro de hidrógeno, produciéndose una acumulación lenta y continua en los sedimentos profundos, originando sulfuros metálicos y carbones. El azufre también puede precipitar bajo condiciones aerobias pasando a formar parte de las denominadas rocas salinas o evaporitas, en forma de sulfato sódico. 29

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